大型复杂地下空间结构设计特点探讨

唐陶

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司第六设计院，安徽 合肥 230031）

0 引言

大型复杂环境下，地下空间结构设计首先要与地上结构相配合、相协调。同时，由于受到施工先后顺序的影响，应加强对前期、后期施工工作的管控与协调，结合施工顺序与地下空间荷载分布状况，合理选择桩基形式与布置方式，进而有效控制不均匀沉降问题，提高地下空间结构的安全性、稳定性，防止结构偏心、不对称等问题的发生。

1 大型复杂地下空间结构设计特点分析

1.1 工程概况

本工程项目为阜阳西站站前广场地下工程，结构体系采用框架结构，抗震等级为三级，其中H、I区框架抗震等级为二级。该项目地上一层，地下一层至两层。单层地下高度为4.4m，二层地下室总高度为10.1m，表1为地基基础设计概况。

表1 地基基础设计概况

1.2 大型复杂地下空间结构设计特点

对于大型复杂地下空间结构而言，它具有以下特点：①规模上相对较大，功能组成较为复杂。一般来说，当地下建筑的功能达到或超过三种，可将其是为复杂结构。按照民用建筑的分类标准来看，当建筑单体规模超过30000m2时，就可将其视作大型建筑。通过上述分析可以看出，大型复杂地下空间的建筑规模要超过30000m2，并且要具有三种及三种以上功能；②相比普通地下空间结构来说，大型复杂地下空间的人流量较大，对于内外交通有着较高的要求。在进行工程设计施工期间，基坑的开挖规模大，建筑结构的体量大。同时，地下空间中配置了大量的机电系统，机电设备的负荷高，设备的运营、管理有着很大的难度；③地下空间的利用较为集约、高效。集约主要是指多种设施于一体。高效主要是指各种类型的设施、资源的利用率较高；④大型复杂地下空间的建设、运营风险系数高，资金投入量较大。设计施工环节中，应建立三维模型，做好结构模拟与数值计算分析，确保设计、施工工作有序开展。

在开展大型复杂地下空间结构设计时，既要注重空间资源的高效利用，同时还要确保整个地下空间系统能够高效、安全地运转。首先，在开展地下结构围护方案的设计时，要充分考虑周边环境的影响。如果设计环节存在疏漏，基抗开挖过程中将影响到周围建筑结构的安全性。其次，要做好地下空间的抗浮设计，选用合理可行的设计方法与模型，必要时可以适当提高基坑坑底设计标高，并增大地下室结构的自身重量，还可通过设置抗拔桩的方式，提高抗浮设计效果。此外，可以通过设置抗拔桩的方式，提高地下空间结构的稳定性，防止不均匀沉降等问题的发生。另外，设计期间要切实做好地下空间结构的抗震设计。大多情况下，地下一层的抗震等级与上部建筑结构的抗震等级应保持一致。抗震设计中还要考虑到周边建筑物的嵌固方式。

1.3 地下空间结构设计原则

首先，设计工作中，要严格按照“安全空间、舒适空间”的基本原则开展地下空间结构设计。同时，设计人员还要提高地下空间的绿色环保效果，以求达到最佳的空间效益状态。其次，安全原则也是设计过程中必须考虑的因素之一。此外，地下空间结构设计要与城市总体规划相一致，空间功能应当准确定位，结合施工现场的具体情况，合理确定建设规模，降低施工难度。另外，在开展总体布局设计时，应确保空间布局协调、功能分区设计合理，交通组织便利且顺畅，彰显“以人为本”的设计理念。最后，设计过程中还要确保机电系统的合理配置，为后期的运营与管理工作提供便利。地下空间的进出口要与周围的基础设置紧密衔接，提高内外环境设计的友好效果。

1.4 抗拔桩结构设计要点

①在本工程中，桩基以第⑧层粉质黏土夹粉土层作为桩端持力层，灌注桩桩身主筋的混凝土保护层厚度设计为50mm，混凝土骨料粒径不得大于40mm。在开展混凝土浇筑工作时，要将导管底至孔底的距离控制在300~500mm之间，并确保导管埋入混凝土以下部分的深度不小于800mm；②桩基检测工作中，应确保单桩竖向抗拔极限承载力大于2倍特征值。其中，图1为本工程中桩身结构剖面图。

图1 桩身结构平面

1.5 总平面设计

一方面，总平面设计工作中，要确保地下空间平面形式与城市系统工程相协调。总体来说，城市系统工程不仅囊括了地面系统、轨道交通系统，同时还包含地下道路系统以及市政管线系统等等。由于城市系统工程建成时间较早，且影响面相对较大，后期调整工作的难度极大。因而，在开展大型复杂地下空间总平面设计工作时，应重点处理好地下工程与城市系统工程之间的关系。总平面设计同样要注意以地面环境、景观之间的协调关系，为人员的进出、疏散等提供良好的条件。另一方面，设计时要改善地下空间的通风、采光条件，在地面上设置一定数量的出入口、风亭以及采光井等相关设施。

1.6 地下空间结构设计

结构设计中，首先要做好深基坑支护结构设计。这一过程中，要分析施工现场的地质地貌、水文环境，并对地下空间工程周围的建筑结构形式做出考虑，合理选用深基坑支护形式，防止安全事故的发生。其次，要加强对复杂结构体系的精确计算，对于体量较大的地下结构，应合理开展抗浮设计等工作。上文中提到，大型复杂地下空间的规模相对较大，基坑开挖过程中涉及的面积较大、深度较深，如果设计人员不能对施工现场的地质条件等因素进行综合分析，将导致所选取的基坑支护形式不合理，进而威胁到基坑的安全效果。具体设计工作中，还应从地下空间结构的使用功能的角度出发，通过优化施工材料、柱网布置形式、结构类型等方式，提高地下空间工程设计的灵活性、合理性。此外，结构设计环节中，要考虑到多种荷载类型对结构刚度、承载力等方面的影响，加强对三维力学分析方法的应用，从总体受力方面进行研究，提高结构布局的合理性。在确保地下空间工程安全性的前提下，降低施工成本，提高工程效益。

1.7 建筑细部设计

通过做好建筑细部设计，能够有效提高大型复杂地下空间的利用效率，提升地下空间工程的效益。相对于地上建筑而言，地下空间较为封闭，容易给人产生一种单调、压抑的感觉，甚至引起过往人员的不适。因此，应通过做好建筑细部设计，提高地下空间的舒适性效果。一方面，设计过程中要凸显“以人为本”的重要思想，确保地下空间各结构的基本尺度满足人体活动的各项需求。同时，要确保空间大小满足人流量的需要。另一方面，环境设计工作中，应提高地下空间的装修装饰效果，善用不同类型、不同材质、不同色彩的装修装饰材料，既满足生理、心理方面的需求，同时为地下空间提供一个舒适良好的通风、照明条件。此外，在进行各类设施、设备的配置与设计时，要考虑不同服务对象的各项需要，为人们提供一个良好的休闲、休憩与娱乐环境。

1.8 机电系统设计

①机电系统设计要从地下空间的功能出发，积极做好给排水系统、动力系统、照明系统的设计。同时，大型复杂地下空间还应配备相应的暖风空调系统、监控系统、消防系统以及通信系统等等。为便于紧急情况下人员的快速疏散，在进行机电系统设计时，还应配备无线对讲系统、应急广播系统等等。以上系统共同构成了地下空间机电系统，具体设计工作中，要确保各系统之间的协调性、统一性。考虑到大型复杂地下空间的规模较大、功能分区复杂、防火要求高等特点，设计人员应当结合地下空间空城的建筑规模、结构特点、功能需求等因素，合理选取系统模式与制式；②合理选择机电系统中的各子系统，对各类机电设备的技术性能、功能参数等做出分析，确保所选择的各个子系统满足实际使用需求。同时，要确保各子系统之间有着良好的协调效果。需要注意的是，地下空间中机电系统运行费用较高，设计时既要从使用功能方面进行考虑，同时还要降低机电系统的能耗问题；③设计时既要确保各机电子系统有着较高的独立性，各系统之间互不干扰，并且还要考虑到各系统整体功能的发挥，采用统一管理与运营模式，提高管理工作的效率与质量。

2 结语

作为城市地下空间开发的重要趋势之一，合理做好大型复杂地下空间结构的设计对于促进城市快速发展、改善地下空间的利用效率有着重要的意义。设计人员应当对地下空间工程的建设规模、功能组成进行预先分析，并结构周围基础设施情况与建筑结构形式，做好地下空间工程的整体规划与布局。设计时要严格遵循“安全、舒适、绿色”的原则，积极提高地下空间资源的效益，促进大型复杂地下空间的可持续发展。